容性設(shè)備在線監(jiān)測裝置現(xiàn)場校驗系統(tǒng)的開發(fā)

周澤正 ，李 青，詹洪炎，龔金龍

(1.中國計量大學(xué) 機電工程學(xué)院，杭州 310018； 2.國家電網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014)

容性設(shè)備在線監(jiān)測裝置現(xiàn)場校驗系統(tǒng)的開發(fā)

周澤正1，李 青1，詹洪炎2，龔金龍2

(1.中國計量大學(xué) 機電工程學(xué)院，杭州 310018； 2.國家電網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014)

針對變電站各類高壓容性設(shè)備在線監(jiān)測裝置的現(xiàn)場校驗,提出一種新的容性設(shè)備在線監(jiān)測裝置校驗方法并研制出相應(yīng)的校驗系統(tǒng)，校驗項目涉及：全電流，阻性電流，容性電流，介損因數(shù);該校驗系統(tǒng)由信號采集無線發(fā)送裝置和檢定裝置組成，信號采集無線發(fā)送裝置將現(xiàn)場變壓器二次側(cè)電壓作為參考電壓通過無線傳輸方式傳入檢定裝置，檢定裝置內(nèi)的控制模塊根據(jù)預(yù)設(shè)指令及參考電壓信號控制內(nèi)部數(shù)控交流電流源生成一路與電網(wǎng)電壓頻率同步，幅值和相位可調(diào)的電流信號；將該電流信號耦合到容性設(shè)備在線監(jiān)測裝置電流傳感器，通過比較耦合前后裝置相應(yīng)監(jiān)測量變化值與校驗系統(tǒng)設(shè)定值的誤差，達到校驗容性設(shè)備在線監(jiān)測裝置有效性的目的;實驗證明，該校驗系統(tǒng)輸出電流指標滿足現(xiàn)場校驗的要求。

容性設(shè)備在線監(jiān)測裝置；現(xiàn)場校驗；數(shù)控交流電流源；FM調(diào)制

0 引言

在變電站高壓設(shè)備中，容性設(shè)備(如變壓器，套管，CT, CVT等)占一次設(shè)備的40%-50%，數(shù)量龐大，容性設(shè)備的絕緣劣化如果不能得到及時的檢修，就可能發(fā)生突發(fā)性事故，造成巨大的經(jīng)濟損失[1]。

長期以來，電氣設(shè)備停電基礎(chǔ)上的交接試驗和預(yù)防性試驗是容性設(shè)備絕緣性能檢測的常用方法[2]。目前，電力部門主要通過在線監(jiān)測裝置獲取運行中容性設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)。因此，對在線監(jiān)測裝置計量準確性以及靈敏度進行周期性校驗就顯得尤其重要。

傳統(tǒng)的校驗方法包括RC阻容網(wǎng)絡(luò)法和末屏串接電阻法[3]。前者在高壓實驗室中完成，無法考核在線監(jiān)測裝置在現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境中的抗干擾能力，同時接線繁瑣，幅值和相角設(shè)置困難，諧波信號不易產(chǎn)生。后者雖在現(xiàn)場進行，但在高壓情況下，末屏對地絕緣呈現(xiàn)的非線性易影響測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，同時此方法操作風(fēng)險大，容易危害設(shè)備和人員的安全。

云南電力試驗研究院王賦等設(shè)計的校驗裝置[3]在離線條件下可以實現(xiàn)對容性設(shè)備在線監(jiān)測裝置電流和介損值的全量程校驗。當用于現(xiàn)場校驗時，校驗裝置實際測量在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測量，通過比較兩者測量值的誤差來實現(xiàn)現(xiàn)場校驗的目的。這種現(xiàn)場校驗方法的缺陷在于整個校驗的過程是靜態(tài)的，無法校驗在線監(jiān)測裝置對于變化量的監(jiān)測準確性與靈敏度。湖北電力科學(xué)研究院彭亞凱等設(shè)計的校驗裝置[2]利用鉗形電流互感器取樣容性設(shè)備的泄漏電流，通過輸出一個大小可變且與正交的激勵電流來改變?nèi)菪栽O(shè)備的介損因數(shù)。檢查在線監(jiān)測裝置監(jiān)測量變化值是否與校驗裝置相應(yīng)設(shè)定值一致，從而判斷其監(jiān)測的準確性和靈敏度。這種校驗方法的缺陷在于電流取樣所使用軟磁芯易受外界環(huán)境的影響，同時激勵電流與始終正交，相位無法人為設(shè)定，故校驗過程難以覆蓋在線監(jiān)測裝置測量的整個范圍。

鑒于上述校驗方法存在的缺陷，本文研制一種現(xiàn)場校驗系統(tǒng)。在標準信號發(fā)生裝置的基礎(chǔ)上增加現(xiàn)場信號跟蹤模塊，既有效評估了現(xiàn)場干擾對監(jiān)測結(jié)果的影響，同時可以完成阻性電流、容性電流、全電流及介損因數(shù)測量誤差校驗，功能全面，操作方便。因此可用于對現(xiàn)行各類容性設(shè)備在線監(jiān)測裝置開展有效的校準工作。

1 校驗系統(tǒng)的校驗原理及指標

本校驗系統(tǒng)將電網(wǎng)電壓作為參考電壓接入校驗裝置，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的控制指令產(chǎn)生一個實時跟蹤電網(wǎng)電壓頻率，同時幅值相位可人為設(shè)定的電流信號，將此電流信號穿心耦合進在線監(jiān)測設(shè)備的電流傳感器，從而在容性設(shè)備由于電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的泄露電流的基礎(chǔ)上疊加上一個已知精度的標準電流[1]。系統(tǒng)使用連線如圖1所示。

圖1 校驗裝置校驗原理圖

現(xiàn)場校驗時，首先在校驗系統(tǒng)無電流信號輸出的情況下，讀取在線監(jiān)測裝置相應(yīng)的監(jiān)測參數(shù)值。當校驗系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)指令輸出電流信號并成功耦合進在線監(jiān)測裝置電流傳感器后，再次讀取其監(jiān)測值。通過比較兩者理論矢量合成值和在線監(jiān)測裝置實測結(jié)果，可得到兩者之間的誤差量，該誤差量即反映了在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測誤差。如果誤差在允許的范圍內(nèi)，說明在線監(jiān)測裝置工作正常，否則需要對其進行維修和更換[1]。系統(tǒng)主要性能指標如表1所示。

表1 校驗系統(tǒng)輸出電流指標

2 校驗系統(tǒng)組成及原理框圖

容性設(shè)備在線監(jiān)測裝置無線校驗系統(tǒng)分為信號采集部分和檢定部分，檢定部分主要包括移相補償模塊、鎖相環(huán)倍頻模塊，數(shù)控交流電流源模塊，人機交互控制模塊，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 校驗系統(tǒng)組成原理框圖

信號采集部分獲取電網(wǎng)電壓信號作為檢定部分的參考電壓，由于參考電壓來源于現(xiàn)場電壓互感器，與被校驗裝置相距較遠，從方便校驗人員操作的角度出發(fā)，故通過無線通訊的方式將其傳輸至檢定部分，移相補償模塊用于補償由于無線傳輸造成的參考電壓與實際電網(wǎng)電壓間的相位偏移。鎖相倍頻模塊根據(jù)輸入的參考電壓生成方波信號并對其進行3600倍頻處理，確保系統(tǒng)輸出的電流信號頻率與參考電壓始終保持一致。同時確保電流信號的移相精度為0.1°。人機交互控制模塊采用維控公司的LEVI102A型工業(yè)觸摸屏，數(shù)控交流電流源模塊以倍頻后的方波信號為觸發(fā)源，根據(jù)幅值相位控制指令輸出一路電流信號，該電流信號即上節(jié)所述用于校準的標準電流。其特點在于電流幅值、諧波成分以及相對于參考電壓的相位可通過人機交互界面任意設(shè)置。

3 系統(tǒng)重要部分硬件設(shè)計

3.1 信號無線傳輸模塊

電網(wǎng)電壓信號的無線傳輸通過VHF頻段的無線收發(fā)機實現(xiàn)。

由系統(tǒng)的校驗原理可知，系統(tǒng)輸出的校驗電流需要實時追蹤現(xiàn)場電網(wǎng)電壓的頻率與相位，因此電壓信號的無線傳輸要求極小的時延，這就需要盡可能的避免對基帶信號的數(shù)字化處理，故對于此模擬信號的無線傳輸使用FM的調(diào)制方法。

對于FM調(diào)制，未調(diào)制的載波可表示為：

Ct=Acos(ωc+φ)

(1)

其已調(diào)信號時域表示為：

SFM=Acos[ωct+KFM∫f(t)dt]

(2)

對于電網(wǎng)電壓信號，其有效帶寬窄,由卡森公式：

B=2(Δfmax+fm)

(3)

可知調(diào)制載波最大頻偏Δfmax小，容易實現(xiàn)。

信號解調(diào)一般使用鑒頻器，理想鑒頻器可視為微分器與包絡(luò)檢波器的級聯(lián)[4]：

圖3 鑒頻器原理框圖

(4)

微分器的輸出包絡(luò)信號正比于調(diào)制信號，經(jīng)包絡(luò)檢波器后輸出為：

So(t)=KdKFMf(t)

(5)

其中:Kd稱為鑒頻器的靈敏度。

整個無線收發(fā)信機以TH7122無線收發(fā)芯片為核心配合其他外圍電路實現(xiàn)，系統(tǒng)框圖如圖4所示，芯片內(nèi)置LNA、混頻器、中頻放大器、FSK解調(diào)器及鎖相環(huán)頻率合成器。

圖4 無線收發(fā)機原理框圖

發(fā)射部分采用直接上變頻發(fā)射機結(jié)構(gòu)，上變頻和調(diào)制同時進行。模擬信號通過拉動鎖相環(huán)參考晶振外接變?nèi)荻O管電容來間接控制VCO輸出，實現(xiàn)載波調(diào)制[4]。再經(jīng)功率放大與阻抗匹配后由天線發(fā)射出去。

圖6 鎖相環(huán)倍頻模塊電路

接收部分采用超外差式一次變頻接收機結(jié)構(gòu)，天線接收到的射頻信號經(jīng)射頻濾波器與低噪聲放大器(LNA)進行濾波放大，再由混頻器與接收本振信號混頻，輸出的中頻信號(IF)經(jīng)中頻濾波放大后后進入鑒相器解調(diào),還原出原始的調(diào)制信號。

3.2 移相補償與鎖相環(huán)倍頻模塊

移相補償電路負責(zé)校驗系統(tǒng)檢定部分輸入?yún)⒖茧妷旱那岸苏{(diào)理。

參考電壓信號經(jīng)電壓跟隨器緩沖后輸入有源移相電路，移相的過程不影響輸入電壓信號的幅值，僅對其相位進行超前移相。以此作為無線通信時延的補償，移相角度可通過精密電位器進行調(diào)節(jié)，電壓信號通過移相電路后再經(jīng)過電壓比較電路轉(zhuǎn)換為方波信號1。由于該方波要作為外部中斷觸發(fā)信號接入數(shù)控交流電流源內(nèi)的STM32單片機，因此在電壓比較器的輸出端需用穩(wěn)壓管進行限幅處理。

為使輸出的校驗電流信號Ic能夠?qū)崟r跟蹤參考電壓信號Uref，并實現(xiàn)精度為0.1°的移相目的，需要另一路方波信號2，在參考電壓的每個周期內(nèi)，準確的給交流電流源模塊提供等間隔的3600個上升沿觸發(fā)。驅(qū)動其內(nèi)部DAC輸出標準電壓信號。

整個倍頻電路實質(zhì)上是由PLL鎖相環(huán)以及其他數(shù)字芯片所組成的分頻器共同構(gòu)成的一個閉環(huán)控制系統(tǒng)[5]如圖5所示。

圖5 鎖相環(huán)倍頻原理框圖

(6)

由拉氏變換終值定理可知φe(θ)的穩(wěn)態(tài)誤差為零[5]。這就保證了該鎖相環(huán)倍頻電路在參考電壓頻率變化的情況下，驅(qū)動信號仍能保持跟蹤鎖定。本課題選用以CD4046為核心設(shè)計3600倍頻電路[6]，如圖6所示。

VCO輸出的中心頻率由R1和C1確定，調(diào)整在180kHz附近。環(huán)路低通濾波器設(shè)計為二階低通濾波器，參數(shù)的選擇需考慮鎖相時間與濾波截止頻率兩個因數(shù)[7]。

整個電路中， 12位串行計數(shù)器CD4040， 8輸入與非門74LS30，配合非門芯片74LS04和D觸發(fā)器芯片74LS74實現(xiàn)分頻功能。CD4040每接收3600個脈沖后驅(qū)動D5的Q端輸出高電平實現(xiàn)復(fù)位，同時端輸出一個下降脈沖反饋給CD4046的相位比較器[6]。

3.3 數(shù)控交流電流源模塊

數(shù)控交流電流源模塊可以分為標準電壓發(fā)生電路和壓控恒流源電路。

設(shè)計要求輸出的標準電壓信號幅值相位可調(diào)且穩(wěn)定。故采用“單片機+查表法+DAC+濾波電路”的解決方案。

單片機選用STM32F103ZET6，內(nèi)部自帶12位DAC。使用查表法，在單片機內(nèi)部存儲若干個長度為3600的數(shù)組，由于DAC只能輸出正電壓，因此數(shù)組值全存為正數(shù)。

(7)

其中:N=1的數(shù)組為一個周期的標準正弦波3600點采樣序列，表示基波分量，N=M的數(shù)組為M個周期的標準正弦波3600點采樣序列，用于模擬電網(wǎng)M次諧波分量。

調(diào)幅時只需在數(shù)組前乘系數(shù)KA即可：

XN[n]′=KAXN[n]

(8)

調(diào)相時對有限長數(shù)組進行循環(huán)移位。若要求相位超前為m(精確到0.1°)，則當0≤n<3600-10m時：

XN[n]″=XN′[n+10m]

(9)

3600-10m≤n<3600時：

XN[n]″=XN′[n+10m-3600]

(10)

最后將幅值相位分別設(shè)置好的各次諧波數(shù)組疊加，形成最終的輸出數(shù)組：

X[n]=∑NXN[n]″

(11)

當方波1(與參考電壓頻率相位一致)觸發(fā)單片機的外部中斷后，立即打開方波2(倍頻后方波)的外部中斷使能，驅(qū)動DAC按照最終的輸出數(shù)組循環(huán)輸出電壓信號。通過這樣的方式，DAC輸出電壓與參考電壓的頻率鎖定且相位間關(guān)系實現(xiàn)數(shù)控。

由于DAC單端輸出的電壓信號只有正電壓，且呈現(xiàn)階梯狀，故在DAC輸出后緊跟一個有源帶通濾波器，消除其直流成分及高頻成分，使輸出電壓信號完整平滑。

壓控恒流源電路如圖7所示。該電路響應(yīng)前級帶通濾波器輸出的電壓信號，將其轉(zhuǎn)化為校驗電流輸出。電路屬于接地型負載壓控恒流源，即“Howland電流泵”[8]。分析主運放P1可知:

U+=(R3Ua+R1Uc)/(R1+R3)

(12)

U-=R2Ub/(R2+R4)

(13)

IC=Ub-Uc/R6

(14)

根據(jù)U+=U-,由式(4)～(6)可得：

IC=Ua/R6

(15)

式中,R1=R2=R3=R4。

可見，該電路中輸出的電流只和輸入的電壓信號以及取樣電阻R6的大小有關(guān)，而與接上的負載大小沒有關(guān)系[5]。

從表1系統(tǒng)輸出校驗電流的指標可知恒流源電路輸出電流需要較大的變化范圍。而一般運放的最大輸出只有十幾mA級別，因此需要在運放的輸出端增加擴流電路。擴流電路由達林頓管TIP122和TIP127組成，最大集電極電流可以達到5A，滿足校驗需求由于運放的開環(huán)放大系數(shù)大，因此輸出的正弦波基本上不會出現(xiàn)交越失真，圖7中電容C1和C2可以改善交越失真。運放P2構(gòu)成的電壓跟隨器，用于保證反饋信號的完整性，并減少反饋回路的分流影響[5]。

圖7 壓控恒流源電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計的關(guān)鍵在于：1)在方波1上升沿觸發(fā)的瞬間，即電網(wǎng)電壓過零點的時候觸發(fā)DAC輸出，以此作為輸出電流相位的參考。要求觸發(fā)與DAC輸出之間的延時很小。2)DAC輸出是在方波2的驅(qū)動之下進行，要求反映快速且耗時穩(wěn)定，以保證輸出波形時域分布均勻。

因此，使用STM32系列單片機中的DMA(直接寄存器存取)來提供DAC與寄存器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。STM32內(nèi)置DAC在接收到外部觸發(fā)的驅(qū)動下，直接通過DMA獲取內(nèi)存數(shù)據(jù)，從而跳過CPU，實現(xiàn)高速穩(wěn)定[9]。

主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序框圖

5 實驗分析

為檢驗所研發(fā)容性設(shè)備在線監(jiān)測裝置校驗系統(tǒng)輸出校驗電流各參量的準確度等級是否滿足現(xiàn)場校驗的要求，進行相應(yīng)的量值溯源與誤差對比實驗。通過變壓器將電網(wǎng)的電壓信號降壓后輸入校驗系統(tǒng)作為參考電壓?？刂破漭敵鲆幌盗行ｒ炿娏餍盘?，均為標準基波電流信號(不含任何諧波分量)并對其進行測量。檢測結(jié)果如表2、表3所示。

6 結(jié)束語

本文所述容性設(shè)備在線監(jiān)測裝置無線校驗系統(tǒng)可用于各類高壓容性設(shè)備現(xiàn)場校驗。實驗證明，該校驗系統(tǒng)輸出校驗電流符合相應(yīng)技術(shù)指標。本系統(tǒng)用于實際應(yīng)用，可以幫助電力部門及時掌握容性設(shè)備在線監(jiān)測裝置的運行情況，保障電力系統(tǒng)的安全。

表2 基波電流幅值校準數(shù)據(jù)(真有效值計)

注：測量儀器為Agilent公司34401A數(shù)字多用表

表3 基波電流與參考電壓相角校準數(shù)據(jù)

注：測量儀器為RIGOL公司DS1052E示波器

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Development of On-site Calibration System for Capacitive Equipment On-line Monitoring Device

Zhou Zezheng1,Li Qing1,Zhan Hongyan2,Gong Jinlong2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018,China; 2.Zhejiang Electric Power Company Research Institute, Hangzhou 310014,China)

The topic research, wireless calibration system for capacitive equipment online monitoring device, can be used for evaluating high voltage capacitive equipment online monitoring device on site. The system’s function involve: total current, resistive component of current, capacitive component of current and factor of dielectric loss. The signal acquisition device provides the power grid voltage as the reference voltage into the detecting device through wireless transmission. According to this reference voltage, the programmable alternating current source can produce a current signal, whose frequency is same as the power grid voltage and phase shift as well as altitude are adjustable in the control of the preset instruction in controlling module. Coupling this current signal into the current sensor of the online monitoring device, there will be a variation of corresponding monitor value before and after coupling. The error between the above variation and the setting deviation can reflect the effectiveness of the capacitive equipment online monitoring device. It has been verified that this system can meet the requirement of the calibration in practical application.

capacitive equipment online monitoring device; calibration on site; programmable alternating current source; FM modulation

2016-07-05；

2016-07-21。

國網(wǎng)浙江省電力公司招標項目(ZBGW15-011-007);浙江省儀器科學(xué)與技術(shù)重中之重學(xué)科學(xué)生開放實驗項目(JL150531)。

周澤正(1992-)，男，安徽黃山人，碩士研究生，主要從事檢測技術(shù)方向的研究。

李 青(1955-)，男，浙江杭州人，教授，主要從事檢測技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)12-0045-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.013

TP23

A